Файл: Дорфман В.Ф. Газофазная микрометаллургия полупроводников [Текст] 1974. - 190 с.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2024
Просмотров: 143
Скачиваний: 0
шает однородность условий для всех подложек. Гори зонтальные системы более удобны при загрузке и раз грузке, особен«о в высокопроизводительных установках:
смногопозициоиными подложкодержателями (рис. 6)\. Другая принципи альна я характеристика установок —
способ нагрева. В хлоридных и гидридных системах, как правило, применяют индукционный нагрев. При этом стенки реакционной аппаратуры остаются холодными, что резко снижает их эрозию и загрязнение газовой сре-
Рис. 6. Одна из первых 'горизонтальных установок фирмы Bell для получения эпитаксиальных слоев кремния
ды, облегчает наблюдение за ходом процесса. Возмож ность применения такого способа нагрева связана стам, что хлориды и гидриды 'Германия, кремния и многих других элементов высоколетучи. Возможен также ради ационный нагрев подложкодержателей, при котором прозрачные кварцевые стенки реактора поглощают лишь незначительную часть лучистого теплопотока и остают ся холодными.
2?
Внешний обогрев с помощью іпечей сопротивления той или иной .конструкции 'применяется главным обра зом в иодидных и других системах, в которых компонен ты газовой фазы обладают сравнительно высокими точ ками конденсации. Основной недостаток систем с 'внеш ним нагревом — паразитная кристаллизация на стенках. Это не только снижает выход, но и делает процесс не стационарным. Возможные пути подавления паразитной кристаллизации — ведение процесса при очень низких пересыщениях, когда осуществляется избирательная кри сталлизация только на подложках, снижение до мини мума отношения объема газовой фазы в реакционной зоне к активной поверхности подложек. В некоторых си стемах, вероятно, можно использовать концентрацион
ное расслоение |
газовой фазы (стенки обтекаются нена |
сыщенными, а |
подложки— насыщенными соединения |
ми). іПрн внешнем обогреве затруднено также визуаль ное наблюдение за процессом. Системы с внешним обо гревом обычно весьма .инерционны, что снижает произ водительность. Использование малоинерционных или разъемных печей требует очень жесткого регулирования II специальных мер для обеспечения требуемого распре деления температуры по длине аппарата.
Общей проблемой всех динамических систем являет ся обеспечение стационарного (или запрограммирован ного) подвода активных компонентов газовой фазы. Эта задача сравнительно просто решается в гидридных системах (исходные реагенты находятся в газообразном состоянии в специальных баллонах). В хлоридиых или
иодидных системах |
(исходные |
реагенты |
находятся в |
|
жидком и твердом |
состоянии) |
необходимо специальное |
||
термостатирование |
источников |
и стабилизация потока |
||
(подробнее эти вопросы |
рассмотрены в |
монографии |
||
[40]). Эти системы очень |
чувствительны |
к геометрии |
||
аппарата и каждая |
новая установка требует длительной |
градуировки. В проточных реакторах даже теоретичес кий предел выхода кристаллизующегося вещества суще ственно ниже 100%. Величина потерь определяется рав новесным составом газовой фазы при температуре в зо не кристаллизации. Необходима глубокая очистка газаносителя, что усложняет технологическую аппаратуру. В настоящее время только водород и инертные газы мо гут быть эффективно очищены от кислорода, влаги и дру гих газообразных примесей. Кроме того, в проточных ре
акторах трудно достичь давления выше 1ат, причем, как правило, парциальное давление компонентов транспор тируемого вещества составляет лишь небольшую долю этой величины. Таким образом, кристаллизация проте кает из среды, .сильно разбавленной газом-носителем.
Основным достоинством проточных реакторов явля ется возможность эффективного управления режимом массопереноса из зоны источника через газовую фазу в зону кристаллизации, а также химическим составом га зовой фазы как в различных пространственных зонах реактора, так и во времени. Это позволяет гибко воз действовать на ход технологического процесса, обеспе чивает сравнительно высокую воспроизводимость ре зультатов и позволяет осуществить сложные многоста дийные процессы получения р — п- и гетеропереходов. Динамические системы могут служить основой для по строения непрерывных автоматизированных технологи ческих линий. Они позволяют также реализовать комп лексные процессы (например, осаждение полупроводни ковых слоев, диэлектрических и металлических пленок в одном аппарате). Это определяет их значение как ос новного современного средства газофазной микрометал лургии.
Статические (закрытые) методы, очевидно, .примени мы только к полностью автономным системам. Основное преимущество закрытых методов — простота аппаратур ного оформления, практически 100%-ный выход (если предотвратить кристаллизацию на стенках), возможность реализации широкого диапазона давлений (до 2—5 ат в незащищенных кварцевых ампулах и до 10 ат и выше при использовании принципа внешнего противодавления). Благодаря этим особенностям статические системы ши роко используются в исследовательской практике. Они имеют и промышленное значение в тех случаях, когда кристаллизация требует применения высоких давлений, для дорогостоящих и радиоактивных материалов, при гомогенизации твердых растворов, для синтеза сложных
ималоустойчивых соединений.
■В статических системах возможно попадание приме сей на стенки реактора и поверхность подложки при от пайке и вследствие герметизации трудно удалить про дукты газового травления. Для решения этой задачи
•предложен целый ряд устройств и методик, как напри мер, в работе Вайды и Кланга [12, с. 229]. Н о отсутст
29
вие газового тіотока, являющеюся непрерывным источ ником 'примесей, играет определяющую роль (наиболее высокоомные слои германия, имеющие р > 5 0 Ом-см-1, получены в закрытой системе [41]).
Основной недостаток закрытых систем — необходи мость отпайки перед каждым процессом, что дорого и непроизводительно. Кроме того, в них весьма трудно ре гулировать режим и направление потока массообмена, что не только онижает гибкость процесса, но и усили вает нежелательное автолегирование и неоднородность распределения скорости роста по длине и сечению реак тора. Поскольку закрытые системы используются глав ным образом в препаративных и исследовательских це лях, подход к их конструированию индивидуален (пред ложено большое число различных конструкций ч приспособлений — качающиеся ампулы с шариковыми затворами, вакуумный кожух для обеспечения однород ности температурного поля и массообмена [12, с. 229], а также многие другие).
Особый случай представляет сэндвич-метод. Он мо жет осуществляться в статических и динамических си стемах (с автономным или полуавтономным массопереносом). Расстояние между плоскопараллельными ис точником и подложкой много меньше их поперечных размеров. В результате маесообмен с окружающей га зовой фазой сравнительно мал и слабо влияет на основ ной процесс переноса вещества' от источника к под ложке.
'Геометрическая форма реактора ц характер газовых потоков в нем отражаются на этом процессе в мини мальной степени. При использовании сэндвич-метода трудно контролировать скорость роста, микрорельеф растущего кристалла и быстро изменять концентрацию легирующей примеси. При выращивании гетероструктур
•не удается избежать образования сравнительно широ кой (более 10 мкм) переходной области твердых рас творов переменного состава.
Однако сэндвич-метод обеспечивает большую ско рость переноса, максимальную чистоту кристаллизую щегося вещества и весьма высокий выход перенесенною вещества (80—90%). Сэндвич-метод целесообразно при менять в тех же случаях, что и замкнутые системы, а также для осуществления интенсифицированных процессов эпитаксиального роста.
30
Разумеется, изложенная выше сравнительная оцен ка методов Г-МП относится лишь « современному техно логическому уровню. Одним из серьезных препятствий к дальнейшему развитию технологии является несопо ставимость результатов, получаемых при проведении исследований различными методами или на различных установках. Кардинальным решением была бы унифика ция технологических условий процессов ГіМ)П, по край ней мере в части режима маосообмепа. Здесь весьма эффективным может быть математическое и физическое моделирование, а также визуализация масоообмена в реакционных аппаратах. Другой подход— создание та ких условий, при которых режим массообмена в окрест ности подложки в минимальной степени зависит от об щего массопотока. Такой квазиизолированной системой
является, как |
уже отмечалось, сэндвич-метод. Более |
||
универсальное |
решение — экранирование |
подложки |
|
[42] — может |
быть |
осуществлено в любых системах |
|
ГМП. |
|
управления процессами |
ГіЖ І и их |
Эффективность |
исследования существенно повысится, если будут разра ботаны методы контроля состава газовой фазы в не посредственной близости от поверхности растущего кри сталла, а также методы микроскопических наблюдений в процессе роста.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ПРОЦЕССАХ ГМП
Общие замечания
'Основной принцип газофазного металлургического процесса можно сформулировать как требование к го могенности исходной фазы: осаждение должно происхо^ дцть только на поверхности подложки или растущего кристалла, никаких конденсированных продуктов, кроме ■ кристаллизуемого вещества, не должно образовываться; концентрационное расслоение исходной фазы нежела тельно.
Эти условия определяются требованиями к совер шенству структуры полупроводниковых слоев и кри сталлов и, в меньшей степени, кинетическими ісоображе-
31
ниями*. Ta«, в системе Ge — I |
при сравнительно низких |
|||
температурах |
(< 300°С) выделяется твердый |
иодид |
||
G el2, гексагональные пластины которого |
ориентирован |
|||
но оседают на |
германиевых |
подложках |
(111). |
После |
дующий распад G el2 в твердой фазе приводит к эпитак сиальной 'Кристаллизации германия [42] (сам факт ориентированного выделения G el2 отмечался значитель ное ранее [44]). Но структурно-морфологические свой ства эпитаксиальных слоев при этом сильно ухудшают ся. Чаще промежуточные соединения легкоплавки и вы деляются в жидком состоянии. Это наблюдается, на пример, в системах Ge — I и S i —-I при больших давле ниях, когда осуществляются параллельно газофазный и жидкофазный перенос. Монокристалличность роста гер мания или кремния при этом не нарушается, но морфо логически эпитаксиальные слои оказываются неоднород ными [45]. Возможен также ювазигомогенный механизм осаждения через жидкую (капли) или твердую (микро-
кристаллы) фазу, |
что наблюдается, |
в частности, |
в си |
стемах Ge — Cl — |
Н [46] и Ge — I |
[42]. Но и |
в этом |
случае ухудшаются структурно-морфологические свой ства слоев (см. ниже, стр. 94 п далее).
Хотя в принципе не исключено, что при определен ных условиях возможно получение твердотельных струк тур с заданными свойствами путем кристаллизации упо рядоченной гетерогенной среды, при современном состо янии технологии выращивания кристаллов указанное требование к гомогенности исходной фазы следует счи тать обязательным. Таким образом, вводится опреде ленное ограничение по температуре (минимальнаятем пература в реакторе должна быть выше точки конденса ции наименее летучего из компонентов газовой фазы) и по степени отклонения системы от равновесия (пересы щение должно быть ниже критического для гомогенного зародышеобразования). Фактически эти ограничения не являются жесткими.
На рис.7 показаны диапазоны температур и давлений, в которых достигается ориентированная кристаллизация германия, кремния, арсенида и фосфида галлия иодидным методом. Как видно, для каждого вещества диапа-
1 В качестве иллюстрации к последнему случаю в металлургии чистых металлов можно указать систему Zr—I, где при определен ных температурных условиях возможно выделение низколетучего соединения Zrl2, подавляющего перенос циркония [43].
32